Za procesne inženjere odgovorne za električne imerzione grijače u proizvodnji titan dioksida postupkom sulfata, koncentracije sumporne kiseline od 15-25% na temperaturama od 80-110 stepeni su uobičajene tokom faza digestije i hidrolize. Plašt od nerđajućeg čelika od 1,2 mm 316 ponekad je specificiran za reaktore{7}}s ograničenim prostorom, ali kombinacija visoke koncentracije, povišene temperature i toplotnog fluksa od gustine u vatima stvara ekstremno agresivne uslove korozije. Pod određenim pragovima, opšta korozija prodire u zid od 1,2 mm u roku od tri mjeseca, što zahtijeva kvartalnu zamjenu. Ovaj članak identifikuje precizne kombinacije-temperatura u kojima omotač od 1,2 mm 316 dostiže ograničenje radnog vijeka od tri-mjesečnog vijeka.
Korozivno ponašanje 316 u koncentrovanoj sumpornoj kiselini na visokim temperaturama
U koncentracijama sumporne kiseline od 15-25% na temperaturama iznad 80 stepeni, nerđajući čelik 316 je u aktivnom režimu korozije. Stope korozije nisu pasivne već aktivno visoke, u rasponu od 2 mm do 10 mm godišnje u zavisnosti od tačne koncentracije i temperature. Najagresivniji raspon je 18-22% sumporne kiseline na 90-100 stepeni, gdje stope mogu premašiti 15 mm godišnje. Za plašt od 1,2 mm, minimalna debljina strukture za zadržavanje pritiska je približno 0,4 mm. Prodor korozije od 0,8 mm (od 1,2 mm do 0,4 mm) javlja se za 3 mjeseca pri stopi korozije od 3,2 mm godišnje. Prag za zamjenu od tri-mjesečna vrijednost postiže se kada kombinacija koncentracije kiseline i temperature površine omotača proizvodi stopu korozije od približno 3-5 mm godišnje.
Kritični pragovi za tri-tromjesečni vijek trajanja
Na osnovu ispitivanja uranjanjem 316 uzoraka u sumpornu kiselinu pri koncentracijama i temperaturama relevantnim za proizvodnju titan dioksida, sljedeće kombinacije daju tri-maksimalni vijek trajanja za zid od 1,2 mm.
| Koncentracija sumporne kiseline (težinski %) | Temperatura rastvora u rasutom stanju | Temperatura površine omotača na 6 W/cm² (12 stepeni porasta) | Očekivana stopa korozije na površinskoj temperaturi | Vrijeme za smanjenje od 1,2 mm do 0,4 mm | Vijek trajanja do zamjene |
|---|---|---|---|---|---|
| 15% | 80 stepeni | 92 stepena | 1,5 – 2,5 mm/god | 0,3 – 0,5 godina | 4 – 6 mjeseci |
| 15% | 85 stepeni | 97 stepeni | 2,5 – 4,0 mm/god | 0,2 – 0,3 godine | 2,5 – 4 mjeseca |
| 15% | 90 stepeni | 102 stepena | 4,0 – 6,0 mm/god | 0,13 – 0,20 godina | 1,5 – 2,5 mjeseca |
| 18% | 75 stepeni | 87 stepeni | 2,0 – 3,0 mm/god | 0,27 – 0,40 godina | 3 – 5 mjeseci |
| 18% | 80 stepeni | 92 stepena | 3,0 – 5,0 mm/god | 0,16 – 0,27 godina | 2 – 3,5 mjeseca |
| 18% | 85 stepeni | 97 stepeni | 5,0 – 8,0 mm/god | 0,10 – 0,16 godina | 1,2 – 2 mjeseca |
| 20% | 70 stepeni | 82 stepena | 2,5 – 4,0 mm/god | 0,20 – 0,32 godine | 2,5 – 4 mjeseca |
| 20% | 75 stepeni | 87 stepeni | 4,0 – 6,0 mm/god | 0,13 – 0,20 godina | 1,5 – 2,5 mjeseca |
| 20% | 80 stepeni | 92 stepena | 6,0 – 10,0 mm/god | 0,08 – 0,13 godina | 1 – 1,5 mjeseci |
| 22% | 65 stepeni | 77 stepeni | 3,0 – 5,0 mm/god | 0,16 – 0,27 godina | 2 – 3,5 mjeseca |
| 22% | 70 stepeni | 82 stepena | 5,0 – 8,0 mm/god | 0,10 – 0,16 godina | 1,2 – 2 mjeseca |
| 22% | 75 stepeni | 87 stepeni | 8,0 – 12,0 mm/god | 0,07 – 0,10 godina | 0,8 – 1,2 mjeseca |
| 25% | 60 stepeni | 72 stepena | 3,0 – 5,0 mm/god | 0,16 – 0,27 godina | 2 – 3,5 mjeseca |
| 25% | 65 stepeni | 77 stepeni | 5,0 – 8,0 mm/god | 0,10 – 0,16 godina | 1,2 – 2 mjeseca |
| 25% | 70 stepeni | 82 stepena | 8,0 – 12,0 mm/god | 0,07 – 0,10 godina | 0,8 – 1,2 mjeseca |
Za reaktor za digestiju titanijum dioksida koji koristi 20% sumpornu kiselinu na 80 stepeni zapremine sa omotačem od 1,2 mm pri 6 W/cm², površina omotača dostiže približno 92 stepena. Očekivana stopa korozije je 6-10 mm godišnje, smanjujući zid od 1,2 mm na 0,4 mm za 1-1,5 mjeseci. Tro-zamjena je optimistična; stvarni životni vijek može biti 1-2 mjeseca.
Sigurnosni operativni okvir za tromjesečni raspored zamjene
Sljedeća tabela daje maksimalnu sigurnu temperaturu sumporne kiseline u rasutom stanju za omotač od 1,2 mm 316 pri različitim gustoćama u vatima kako bi se postigao najmanje tri mjeseca radnog vijeka prije nego što se smanji zid na 0,4 mm zahtijeva zamjenu.
| Gustoća vata (porast temperature) | Maksimalna temperatura za 15% H₂SO₄ | Maksimalna temperatura za 18% H₂SO₄ | Maksimalna temperatura za 20% H₂SO₄ | Maksimalna temperatura za 22% H₂SO₄ | Maksimalna temperatura za 25% H₂SO₄ |
|---|---|---|---|---|---|
| 4 W/cm² (podizanje od 8 stepeni) | 86 stepen | 80 stepeni | 76 stepeni | 72 stepena | 66 stepeni |
| 6 W/cm² (12 stepeni porasta) | 82 stepena | 76 stepeni | 72 stepena | 68 stepeni | 62 stepena |
| 8 W/cm² (podizanje od 16 stepeni) | 78 stepeni | 72 stepena | 68 stepeni | 64 stepena | 58 stepeni |
| 10 W/cm² (rast od 20 stepeni) | 74 stepena | 68 stepeni | 64 stepena | 60 stepeni | 54 stepena |
Za proces titanijum dioksida koji koristi 18% sumporne kiseline na 80 stepeni zapreminske temperature sa 6 W/cm² (12 stepeni porasta, 92 stepena površine), bezbedna granica zapremine je 76 stepeni. Na 80 stepeni grijač premašuje sigurnu granicu, a životni vijek od tri- mjeseca nije zagarantovan. Čak i pri 4 W/cm², bezbedno ograničenje zapremine je 80 stepeni -marginalno.
Modifikacije dizajna kako bi se produžio vijek trajanja preko tri mjeseca
Kada procesni uvjeti titanijum dioksida zahtijevaju omotač od 1,2 mm 316 i tromjesečni vijek trajanja je nedovoljan, dvije modifikacije mogu pomoći, ali se nadogradnja legure snažno preporučuje. Prva modifikacija je smanjenje gustoće vata na apsolutni minimum maksimiziranjem zagrijane dužine. Čak i pri 4 W/cm², stope korozije u 18-20% sumporne kiseline na 80 stepeni su 2-4 mm godišnje, ograničavajući životni vek na 3-6 meseci. Druga modifikacija je da se koristi dupleks nerđajući čelik kao što je 2205 ili nerđajući čelik sa visokim{15}}silicijumom kao što je legura 20. Legura 20 održava stope korozije ispod 0,5 mm godišnje u 20% sumporne kiseline na 80 stepeni, produžavajući životni vek na 2-3 godine. Za proizvodnju titan dioksida, nehrđajući čelik 316 općenito je neprikladan za uranjajuće grijače u fazama digestije i hidrolize. Inženjeri bi trebali specificirati omote od legure 20, legure 825 ili tantal{28}}za pouzdanu upotrebu. Kada specificirate grijače za proizvodnju titan dioksida, uvijek navedite točnu koncentraciju kiseline, temperaturu u rasutom stanju i očekivani radni ciklus. Proizvođač koji preporučuje 316 za 20% sumpornu kiselinu na 80 stepeni bez rasprave o brzoj koroziji ne daje odgovorne smjernice. Prag tromjesečne zamjene je predvidljiv, ali kratak vijek, a za većinu operacija, kvartalna zamjena je ekonomski neprihvatljiva. Nadogradnja legure je ispravno inženjersko rješenje.
